用于生物组织应变的大变形柔顺机构的拓扑优化与3D打印

本文在基于密度的拓扑优化框架中提出了一种综合方法，用于设计能使生物组织产生期望应变的大变形柔顺机构。建模基于几何非线性以及适当选择的超弹性材料模型，其中机械平衡方程采用全拉格朗日有限元公式求解。构建了基于相对于目标应变的最小二乘误差的目标函数，并在给定约束条件及组织适当周边环境下进行最小化。为规避拓扑优化过程中低刚度设计区域因大变形引起的数值不稳定性，采用了基于应变能的插值方案。该方法使用一种扩展的鲁棒公式，即用于设计描述及组织刚度变化的腐蚀、中间和膨胀投影。通过设计多种用于为生物组织构建体提供不同目标应变的柔顺机构，证明了该综合方法的有效性。优化后的柔顺机构被3D打印，并在简化实验中记录其性能，与商业软件获得的仿真结果进行比较。